SWAT模型數據庫的構建

朱 燁，方秀琴，王 凱

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

SWAT模型數據庫的構建

朱 燁1，方秀琴1，王 凱1

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

針對SWAT模型數據庫標準和國內數據不一致的問題，以陜西省延河流域為例，結合國內外已有的研究和國外的一些軟件，以延河流域現有的數據為基礎，詳細說明了SWAT模型數據庫的構建過程，并在此基礎上進行模型的率定和驗證，率定期和驗證期的納什系數都達到了0．6以上，為SWAT模型在我國北方干旱半干旱地區的應用提供了一個參考。

SWAT模型；數據庫構建；延河

SWAT（soil and water assessment tool）模型是20世紀90年代由美國農業部農業研究服務中心在SWRRB模型基礎上研制并開發的一個長時段的分布式流域水文模型[1-2]，具有很強的物理基礎。在國外，特別是在美國和加拿大的北美寒區，SWAT模型得到了廣泛的應用[3]。近年來，SWAT模型的應用在我國也逐漸發展起來，應用范圍越來越廣[4]。由于SWAT模型可以對流域管理中各種決策的實用性進行評估，已經成為水資源保護管理規劃中不可或缺的工具[5]。

然而，SWAT模型在運行過程中需要大量的相關數據（包括土地利用、土壤屬性、氣象等），而且國外的數據庫標準與國內的也不一致，應用時需要重新構建適用國內研究的屬性數據庫，由于SWAT模型的軟件復雜，對數據庫以及各種數據文件的格式要求比較嚴格，為此本文以陜西省延河流域為例，全面系統地介紹了SWAT模型數據庫的構建過程，以推進SWAT模型在北方干旱半干旱區域的應用。

1 研究區域概況

延河位于黃河右岸、中游區上段的河口鎮至龍門段，是黃河的一級支流。在東經108°44～110°29'以及北緯36°22'～37°18'之間，發源地為陜西靖邊縣天賜灣鄉的周山，全長285．3 km，流域面積7 723 km2。平均坡度為4．3%，河網密度約為4．5 km/km2，西川、蟠龍川以及杏子河是延河的主要支流。延河流域所處的黃土高原東南部為半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡帶，水土流失是該區最主要的生態問題之一。

2 SWAT數據庫的構建

SWAT模型模擬計算需要大量、詳細的相關數據作為基礎，主要包括DEM、土地利用圖、土壤圖等圖件，以及水文數據、實測氣象數據、土地利用屬性、土壤屬性數據等。為了滿足SWAT模型對輸入資料的要求，應使所有的空間數據具有相同的地理坐標和投影。考慮到研究區域的大小及形狀，本文采用變形較小的UTM分帶投影、WGS84橢球體，因延河流域位于UTM的北49帶，故投影系統為UTM WGS84 49N。

2.1 土地利用數據庫

土地利用類型是重要的流域下墊面信息，反映了不同的土地覆被及水文特性，對確定產流非常重要，是模型模擬的關鍵輸入之一[6]。根據延河流域的特點，確定土地覆蓋/土地利用的類型分別為水體、城鄉用地、林地、耕地、草地和未利用地6類，每一類別的具體描述及SWAT重新分類編碼如表1所示。

表1 土地利用分類情況

2.2 土壤數據庫

土壤類型分布以及土壤屬性參數在分布式模型里至關重要[7]，控制著土壤對流域內部水量的調節，影響降水在土壤中的下滲、側向運動等過程，因此，土壤屬性的精度極大地影響了模型的模擬精度。研究使用的土壤類型數據來源于中國科學院南京土壤研究所土壤分中心的中國土壤數據庫（http://www．soil．csdb．cn）。研究區共有1個土綱、4個土類、6個亞類，主要為沖積土、新積土、粗骨土、紅粘土、黃綿土等，流域內的土壤類型分布圖如圖1所示。

圖1 流域土壤類型圖

土壤數據庫中粘粒分布、分層、層厚度、層有機質可以從土壤原數據中得到，但是另外一些參數則需要通過計算、軟件或者經驗公式來得到。如下所述：

1）土壤粒徑的匹配。土壤粒徑大小對土壤水力學性質有直接的影響[8]，由于收集到的土壤資料使用的土壤粒徑標準與SWAT模型采用的USDA簡化的美制標準不匹配，因此需要對已有的粒徑進行重新分級。分級的主要依據是土壤中粒徑的累積頻率曲線，并通過累積頻率曲線來完成從一個分級標準到另一個分級標準的轉換。經測試，本研究決定以半對數坐標作為累積頻率曲線圖的橫坐標，插值換算方法采用光滑不等距插值。實驗證明，這樣的組合實現粒徑級配轉換效果較好，可以滿足模型對土壤粒徑分級的要求，分級后得到的結果如表2所示。

表2 延河流域土壤質地

2）土壤數據庫中土層可利用有效水（SOL-AWC）和飽和水力傳導系數（SOL-K1）利用土壤水特性軟件SPAW中的Soil－Water－Characteristics模塊根據粘粒的分布情況、有機質等參數計算求得。

3）水文單元組（HYDGRP）的確定。1966年，來自美國的自然資源保護局（NRCS）通過研究土壤中的滲透信息，將水文單元組劃分為4種不同的類別。當土壤處于相當濕潤且沒有被凍住的情況下，最低滲透率對土壤的產流力影響較大，其中包括不同季節的水文深度、飽和狀態下的傳導率和下滲的深度等[9]。表3為研究得到的土壤水文單元組定義。

土壤滲透系數可根據經驗公式算出。

其中，X為土壤滲透系數；Y為土壤平均顆粒直徑值。新建EXCEL文件水文單元組，輸入相應的參數進行計算，結合表3及飽和導水率，確定各個土壤類型的所屬水文單元組。

土壤可蝕性因子K的確定。當其他影響侵蝕的因子不變時，K因子反映了不同類型土壤抗侵蝕能力的高低[10]，該值的變化幅度為0．02-0．75。在1995年，Williams研究得到了下列方程[11]：

式中，fcsand為沙土性土壤的侵蝕系數；fcl-ci為黏土性土壤的侵蝕系數；forgc為土壤中的有機質系數；fhisand為高沙質性土壤的侵蝕系數。各個系數的計算方式如下：

式中，ms是粒徑在0.05 mm～2.00 mm范圍內的沙粒百分比；msilt是粒徑在0.002 mm～0.05mm的細沙百分比；mc是粒徑小于0.002 mm的粘土百分比；porgc為土壤層中有機碳的含量。根據以上公式分別計算各系數，然后相乘，得到每種類型土壤所對應的K值。

2.3 氣象水文資料數據庫

本文收集了研究區內以及距離研究區較近的5個標準氣象站點1951～2012年的逐日氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣壓、日照時數、平均風速、相對濕度、降水和蒸發等，另外還有流域內39個雨量站1959～2011年的降水數據，5個觀測記錄比較全的水文站的1959～2011年的流量數據。針對氣象資料不全或者缺失情況，利用SWAT中自帶的天氣發生器（WXGEN）來模擬相應年份的氣象數據，得到連續的水文過程模擬[12]。

3 模型率定與驗證

在以上構建數據庫的基礎上進行模型的率定與驗證，模型的率定期為1980～1985，驗證期為1986～1989。模型率定期和驗證期的效率系數NS均在0．6以上。另外，兩個時期的相關系數R2都在0．83以上。為了更直觀地展示SWAT模型的模擬效果，模型率定期和驗證期的水文過程線如圖2所示。

圖2 月徑流量過程圖

4 結 語

在SWAT模型數據庫的構建過程中，最重要的是土壤數據庫和氣象數據庫，是SWAT模型模擬的基礎，這兩個數據庫的質量決定了SWAT模型模擬與預測的精度。研究過程中要利用好SPAW模型、土壤粒徑分級工具和SWAT模型中的天氣發生器，本次實驗較好地實現了氣象數據庫和土壤數據庫的構建，可為SWAT模型在干旱半干旱區域的應用提供參考。

[1] AMOLD J G, WILLIAMS J R, MAIDMENT DR．Continuous-time Water and Sediment-routing Model for Large Basin[J]． Journal of Hydraulic Engineering,1995,121(2):171-183

[2] MISHRA A, KAR S． Modeling Hydrologic Processes and NPS Pollution in a Small Watershed in Subhumid Subtropics Using SWAT[J]． Journal of Hydrologic Engineering,2012,17(3):445-454

[3] NEITSCH S L,ARNOLD J G,KINIRY J R,et al．Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation[M] ．Texas Water Resources Institute,2000

[4] 李占玲,徐宗學．黑河流域上游山區徑流模擬及模型評估[J]．北京師范大學學報(自然科學版)． 2010(3):344-349

[5] 郝芳華,程紅光,楊勝天． 非點源污染模型-理論方法與應用[M]．北京:中國環境科學出版社,2006．

[6] 史曉亮,楊志勇,嚴登華,等．灤河流域土地利用/覆被變化的水文響應[J]．水科學進展． 2014(1):21-27

[7] 袁宇志,張正棟,蒙金華．基于SWAT模型的流溪河流域土地利用與氣候變化對徑流的影響[J]． 應用生態學報, 2015(04):989-998

[8] 管孝艷,楊培嶺,呂燁．基于多重分形的土壤粒徑分布與土壤物理特性關系[J]． 農業機械學報, 2011(03):44-50

[9] 吳秋菊,吳佳,王林華,等．黃土區坡耕地土壤結皮對入滲的影響[J]．土壤學報, 2015(02):303-311

[10] 呂喜璽,沈榮明． 土壤可蝕性因子K值的初步研究[J]．水土保持學報,1992(1):63-70

[11] WILLIAMS J． Geographic information from space[M]．Chichest:Praxis Publishing,1995

[12] 寧吉才,劉高煥,葉宇,等．SWAT模型降水輸入參數的改進研究[J]．自然資源學報, 2012(05):866-875

P208

B

1672-4623（2016）12-0015-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.006

朱燁，碩士研究生，主要從事地理信息系統與遙感方面的工作。

2015-08-28。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41201027）。